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Copy of Energia Geotermica

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Madelaine Veintimilla

on 23 March 2014

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¿Que es la Energía Geotérmica?
¿Qué es la Energía Geotérmica?
Se conoce como energía geotérmica, al aprovechamiento del calor que se produce en el interior de la Tierra de una manera inagotable y limpia.
Este calor fluye con un gradiente geotérmico normal: 2.5-3 °C/100m, en una anomalía térmica se puede obtener valores hasta 10 veces mayores.
Utilización directa de la Energía Geotérmica (Fuentes Termales)
Los sistemas de aguas termales tienen una amplia gama de opciones para usos térmicos directos, como por ejemplo piscinas, terapia, balneología, seguida de calefacción de espacios para uso doméstico.
SITUACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA EN EL ECUADOR
TUFIÑO-CHILES
Se encuentra ubicado en la cresta de la Cordillera Occidental, a 35 km al Oeste de la ciudad de Tulcán y a 7 km al Oeste de los pueblos de Tufiño (Prov. Del Carchi, Ecuador) y Chiles (Dpto. De Nariño, Colombia).
Es binacional debido a que el supuesto reservorio se encuentra localizado debajo de la frontera colombo-ecuatoriana.
Potencial Hipotético: 138 MWe.
Fuente termal: Aguas Hediondas

CHACHIMBIRO
Está localizado en los flancos orientales de la Cordillera Occidental, a unos 20 km al Oeste de Ibarra, en la provincia de Imbabura.
Potencial hipotético de 113 MW
Fuente termal: Chachimbiro

CHALUPAS
Se encuentra localizado a unos 70 km al Sur de la ciudad de Quito sobre la cresta de la Cordillera Real en la provincia de Napo.
Potencial hipetético: 283 Mwe

CHACANA
Se encuentra a 60 km al E de Quito en la cresta de la Cordillera Real (CR) entre los volcanes Antisana y Cayambe, y en el interior de la Caldera de Chacana, en las provincias de Napo y Pichincha.
Cachiyacu
Está ubicado entre 3700 y 4100 msnm en el interior de la Caldera Chacana a aproximadamente 4 km al SO de la Comunidad El Tambo en el extremo S de la caldera Chacana.
Potencial hipotético: 178 MWe

JAMANCO
Está ubicada en la parte central-sur de la caldera, en cotas que oscilan entre 3300 y 3600 msnm. Su límite E corresponde al borde estructural de la Caldera mientras que hacia el Norte se prolonga hasta la Comuna Jamanco y hacia el Sur hasta el Cerro Cojanco; el limite O corresponde a la Comunidad El Tambo.
Potencial hipotético: 141 MWe
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO DE UN SISTEMA CENTRALIZADO DE CALENTAMIENTO DOMÉSTICO DE AGUA POTABLE MEDIANTE EL APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA GEOTÉRMICA

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

AUTOR: GUILLERMO PÉREZ
DIRECTOR: DR. VICTOR CÁRDENAS

QUITO, MARZO 2014

OYACACHI
Se encuentra ubicado al O de la parroquia de Oyacach; la totalidad del recurso geotérmico se encuentra dentro de la Reserva Ecológica Cayambe-Coca.
Potencial hipotético: 104 MWe
BAÑOS DE CUENCA
Se encuentra a 7 km al SO de la ciudad de Cuenca (2700 msnm), en la provincia de Azuay.
Fuentes termales: Las fuentes termales de Baños tienen una temperatura máxima de 75 °C (las más calientes del país).
CONDICIONES DE DISEÑO PARA SISTEMA DE CALENTAMIENTO
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO MEDIANTE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA (FUENTES TERMALES)
SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA
FUNDAMENTOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
DISEÑO DE DETALLE DEL SISTEMA SELECCIONADO
PLAN DE MANTENIMIENTO DEL SISTEMA
SISTEMA DE CONTROL DEL SISTEMA
SIMULACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
DESARROLLO SOSTENIBLE DEL SISTEMA
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO MEDIANTE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA (FUENTES TERMALES)
SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA
COMPLEJO TURÍSTICO "TERMAS DE PAPALLACTA"
VIVIENDA UNIFAMILIAR
FUNDAMENTOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Especificaciones sobre la performance térmica
Especificaciones sobre la perdida de carga de las corrientes
Coeficiente de ensuciamiento
Q=Wc Cc (t1-t2 )
Q=Wh Ch (T1-T2)


Balance térmico
TERMAS DE PAPALLACTA
DISEÑO DE DETALLLE DEL SISTEMA SELECCIONADO
CÁLCULO DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE SANITARIA PARA UNA VIVIENDA O EDIFICACIÓN
DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
DISEÑO DEL TANQUE DE ACUMULACIÓN DE ACS
CÁLCULO DE POTENCIAS REQUERIDAS DE LAS BOMBAS DE SUCCIÓN
CÁLCULO DE LOS AISLAMIENTOS TÉRMICOS
TABLAS NORMALIZADAS
VIVIENDA UNIFAMILIAR
COMPLEJO TURÍSTICO
VIVIENDA UNIFAMILIAR
Para una vivienda pequeña que viven cuatro personas (1 ducha y 2 lavabos):

Q(inst.)=Q(max.)+K(Q(inst.1)+Q(inst.2) )=10,6 L/min
Wc=0,174 kg/s

COMPLEJO TURÍSTICO "TERMAS PAPALLACTA
"

C.huesped=C.habitación+C.comida+C.adicional
Hotel: 32 habitaciones*4 personas/habitacion=128 personas
C.huesped=93,5 litros de ACS en un dia
Factor de ocupación=n.e/#dias*n.o=0,333
c_(huesped )=93,5*0,333=36,46 litros/dia
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS
VIVIENDA UNIFAMILIAR
Q=Wc*Cpc*∆Tc=24,42 kW
DATOS CALCULADOS:

COMPLEJO TURÍSTICO "TERMAS DE PAPALLACTA"
Q=Wc*Cpc*∆Tc=100 kW
DATOS CALCULADOS:
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS
TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE ACS DE 500 LITROS DE CAPACIDAD
TAPA TORISFÉRICA
Espesor de la lamina de acero AISI 304
t = 3mm
t = 3mm
BOMBAS CENTRÍFUGAS
AISLAMIENTO TANQUE

Material: Lana de vidrio
Espesor: 100 mm



MANTENIMIENTO DEL SISTEMA
Fichas técnicas
Actividades de mantenimiento
CONTROL DEL SISTEMA
INTRODUCCIÓN
SIMULACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
SolidWorks utiliza métodos numéricos para resolver los sistemas de ecuaciones diferenciales planteados en los problemas de simulacion de fluidos; estos métodos numéricos utilizan un número determinado de iteraciones hasta conseguir el resultado deseado. Estas iteraciones se detienen cuando el valor obtenido en la simulación respecto al valor de la iteración anterior, tiene un error del 1x10^-4, lo que representaría que ha convergido.


Proceso de simulación
Resultados de la simulación
Estos recursos geotérmicos no son debidamente aprovechados, por tal razón se plantea aprovechar estos recursos geotérmicos mediante la utilización de las fuentes termales para el calentamiento de agua potable mediante un intercambiador de calor, que transfiere dicha energía geotérmica al agua potable y eleva su temperatura para el beneficio de la sociedad.
Por lo cual se plantea la implementación de un sistema de calentamiento de agua potable con las siguientes condiciones de diseño:
Procedimientos y fórmulas de diseño:
Normas ASME Code for Pressure Vessels, seccion VIII, división 1.
Temperaturas de salida
Presión interna
DESARROLLO SOSTENIBLE
En el aprovechamiento de la energía geotérmica como uso directo, es que se tiene disponible de fuentes termales ya presentes en el Ecuador, que no tienen ningún impacto social negativo, al contrario sirven para uso medicinal y balneología, además de ser una oportunidad a estas comunidades y comercios de acercarse más al buen vivir.
Vivienda unifamiliar

Inversión: $ 1 987,32

Incadores financieros:
VAN= $ -717,86
TIR= -3%

NO ES RENTABLE.

Complejo turístico
Inversión: $ 13 731,128

Indicadores financieros:
VAN= $ 944,47
TIR= 16%

ES RENTABLE.
Emisiones de CO2 evitados
Vivienda unifamiliar
Es posible evitar la emisión de 1,6 Ton de CO2 al año y de esa manera evitar la contaminación al medio ambiente.
Complejo turístico


Es posible evitar la emisión de 35 Ton de CO2 al año y de esa manera evitar la contaminación al medio ambiente.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• Se puede notar que la implementación de proyectos en donde involucra construir un intercambiador de calor de doble tubo, es necesario de una elevada inversión, esto es debido a que los materiales con los cuales está compuesto el intercambiador son importados, y de alto costo; sin embargo, la vida útil del equipo recompensaría en el ámbito económico y ambiental.
• En el análisis del intercambiador de calor mediante “Solidworks® Flow Simulation 2012”, se pudo notar que las temperaturas de salida son muy cercanas a las calculadas, lo cual valida el proceso de diseño aplicado en este trabajo de investigación. Esta herramienta sería de gran utilidad para la aplicación en la industria e investigación debido a que permite comprobar lo analíticamente obtenido y disminuye el riesgo en la inversión e implementación de un intercambiador de calor en la práctica.
• Se puede notar que el proyecto es rentable en edificaciones grandes en donde se tienen gran consumo de combustibles fósiles. De esa manera se obtiene un ahorro económico que se constituye en un incentivo interesante, al disminuir el consumo de los combustibles, como también la buena expectativa de cuidar al medio ambiente al disminuir significativamente las emisiones de CO2 que aportan al efecto invernadero en el planeta.
• La implementación de este proyecto en una vivienda unifamiliar no es rentable, debido que el costo del GLP es muy bajo comparado con la inversión de construcción de este tipo de sistemas de aprovechamiento de energía renovable, como también no se toma muy en cuenta la necesidad del cuidado del medio ambiente. Posibles aumentos en los costos de combustibles debido a la disminución debido a la disminución de subsidios por parte del gobierno pueden crear un ambiente más propicio para la implementación de tecnologías que aprovechan energía renovable en el Ecuador.
• El uso de electroválvulas y elementos de control en un sistema de agua caliente sanitaria, aportan al consumo adecuado y necesario de la energía que le caracteriza como una instalación energética eficientemente.
• Se puede notar que la mayoría de las fuentes termales son consideradas como aguas semi-duras, que físicamente no afectarían directamente a un equipo en contacto directo con la fuente termal. Por otro lado, para las fuentes termales que contienen importantes cantidades de impurezas y minerales, sería necesaria la utilización de filtros de arena que evitarían el libre paso de dichas impurezas, para de esta manera evitar problemas relacionados con el manejo de fluidos geotérmicos, como corrosión, acumulación de minerales, entre otros.
• Como principal desventaja del aprovechamiento de los recursos geotérmicos, está la elevada distancia entre la fuente termal hasta la vivienda o instalaciones de uso, lo que representa un elevado costo de circulación del fluido termal, sin embargo esta instalación se podría realizar en un conjunto habitacional de diez viviendas unifamiliares o más, y así cubrir dicho costo conjuntamente.
• Este tipo de proyectos se los podría profundizar mediante la investigación minuciosa de cuanto caudal la fuente termal produce y de esa manera estimar una vida útil de la fuente termal como también conocer el caudal máximo que se podría aprovechar para evitar que se convierta en un recurso no renovable.
• Este tipo de proyectos son de gran utilidad para hoteles, y complejos turísticos que se encuentran cerca de las fuentes termales, debido a que se tiene un considerable ahorro energético como también la satisfacción del cuidado al medio ambiente.

7.2 Recomendaciones

• Este tipo de proyectos se podrían promover con el Ministerio de Electricidad y Energías Renovables (MEER), para la implementación de este tipo de sistemas para conjuntos de vivienda con elevada población, ya que se diseñaría un solo intercambiador de calor, como también una sola línea hidráulica de circulación del fluido geotérmico hasta las viviendas, con el objetivo de reducir el consumo de GLP que normalmente se utiliza.
• Para el mejoramiento del sistema, se podría tratar al fluido geotérmico mediante el uso de ablandadores de agua, que reducen el pH y aumentan la vida útil de los equipos instalados al evitar de esta manera efectos corrosivos en sus materiales.
• Cada entidad que utiliza las fuentes termales para balnearios, cuentan con un estudio mensual sobre las características físico-químicas del fluido geotérmico, por tal razón para un mejor diseño se deben obtener estos datos y tener resultados más aproximados a la realidad de cada caso.
• Se puede mejorar la eficiencia del intercambiador de calor de doble tubo mediante la elevación del área de transferencia de calor, lo que se puede lograr al utilizar tubos con aletas. Esta solución aumentaría el costo del elemento de transferencia de calor, sin embargo, en una instalación de gran magnitud se debe evaluar su impacto económico y de rendimiento para considerar su implementación.
• El uso de la herramienta de simulación mediante “Solidworks® Flow Simulation 2012” para la implementación de proyectos de transferencia de calor, ayuda a la industria para su previo análisis y de esa manera evitar problemas en la práctica real. La validación de los cálculos realizados analíticamente, disminuye el riesgo incurrido al implementar proyectos ingenieriles. Además, permite realizar mejoras de diseño de manera rápida y puede
disminuir el número de prototipos antes de la implementación definitiva del proyecto.

GRACIAS
OBJETIVOS
Objetivo general:
Diseñar un sistema centralizado de calentamiento de agua potable para el aprovechamiento de energía geotérmica en comunidades cercanas a vertientes termales en el Ecuador.

Objetivos específicos:
• Determinar la ubicación del proyecto y las especificaciones generales del sistema.
• Proponer opciones de diseño del sistema y los criterios que permitan su evaluación y posterior selección.
• Evaluar el impacto social, ambiental y económico del proyecto propuesto.
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